水性醇酸防腐涂层中的填料优化及其性能检测

水性醇酸防腐涂层中的填料优化及其性能检测摘要：本论文的主要研究内容为水性醇酸防腐涂层的制备及加入不同填料后涂层的性能检测。实验中，以水性醇酸树脂为基料（或成膜物质），通过添加分散剂，助剂及填料，来制备水性醇酸涂层，选用的涂层基底主要为马口铁。涂层的性能测试内容主要包括：涂层的酸碱度、附着力、光泽度以及涂层的电化学防腐性能等。对比实验结果表明，以石英粉为填料时，涂层的耐电化学腐蚀性能最好；以磷铁粉为填料时，耐酸性能最好；以石英粉为填料时，耐碱性能最好；以磷铁粉为填料时，涂层的光泽度最好。此外，以三种不同填料（石英粉，磷铁粉，碳化硅粉）制备的涂层，附着力均达到了0级。综合实验结果可知，水性醇酸防腐涂层具有一定防腐效果，填料的类别对涂层的性能影响差距也较为明显。本论文可以为水性醇酸防腐涂层的制备及其性能优化提供一定的理论指导。关键词：水性醇酸树脂；涂料；防腐性；填料Optimizationoffillersandperformancetestinginwaterbornealkydanti-corrosioncoatingsAbstract:Themainresearchcontentofthispaperisthepreparationofwater-basedalkydanti-corrosioncoatingandtheperformancetestingofthecoatingafteraddingdifferentfillers.Intheexperiment,water-basedalkydresinwasusedasthebasematerial(orfilm-formingsubstance),anddispersants,additives,andfillerswereaddedtopreparewater-basedalkydcoatings.Thecoatingsubstrateselectedwasmainlytinplate.Theperformancetestingofcoatingsmainlyincludestheacidity,adhesion,glossiness,andelectrochemicalcorrosionresistanceofcoatings.Thecomparativeexperimentalresultsshowthatthecoatinghasthebestelectrochemicalcorrosionresistancewhenquartzpowderisusedasthefiller;Whenusingphosphorusironpowderasfiller,theacidresistanceisthebest;Whenusingquartzpowderasafiller,thealkaliresistanceisthebest;Whenusingphosphorusironpowderasfiller,theglossinessofthecoatingisthebest.Inaddition,thecoatingspreparedwiththreedifferentfillers(quartzpowder,phosphorusironpowder,andsiliconcarbidepowder)allachievedadhesionlevel0.Basedonthecomprehensiveexperimentalresults,itcanbeconcludedthatthewater-basedalkydanti-corrosioncoatinghasacertainanti-corrosioneffect,andthetypeoffillerhasasignificantimpactontheperformanceofthecoating.Thispapercanprovidetheoreticalguidanceforthepreparationandperformanceoptimizationofwaterbornealkydanti-corrosioncoatings.Keywords:Waterbasedalkydresin；Coating；Anti-corrosion；Filler 目录TOC\o"1-3"\h\u46571引言 水性醇酸防腐涂层中的填料优化及其性能检测1引言1.1水性醇酸涂层简介涂料是一种多功能性的工程材料，并不是传统意义上的油漆，二者在原料、功能、化学性能等方面存在明显差异。涂料主要由树脂、油料、溶剂、颜料、辅助材料五部分组成REF_Ref8201\r\h[1]，在工业、科研等各个方面发挥重要作用。随着国家工业的发展，水性涂料已成为一种广泛应用的新型环保涂料。水性涂料是以树脂作为分散相、水作为分散介质而形成的非均相体系，大大节省了资源，环保性能好，耐腐蚀性能优异。水性醇酸涂料，是一种以醇酸树脂为主要成膜物质的水性涂料（如REF_Ref8371\h图1），其合成单体来源丰富、工艺简单成熟、综合性能优越，已成为涂料工业中重要的树脂之一REF_Ref10369\r\h[2]。图SEQ图\*ARABIC1水性醇酸防腐涂料Fig.SEQFig.\*ARABIC1Randomalkydanti-corrosioncoating近年来，树脂水性化技术的发展为水性醇酸涂料的发展提供了有力的支持，通过改进配方设计和合成工艺，水性醇酸涂料的性能也得到了显著提升REF_Ref10428\r\h[3]。1.2水性醇酸涂层的制备水性醇酸涂层的制备是一个涉及多个步骤和化学反应的过程。以下是制备水性醇酸涂层的基本步骤：1.2.1树脂的制备树脂的制备主要包括水性醇酸树脂的制备和树脂的改性两个部分。树脂的合成可以通过成盐法REF_Ref10464\r\h[4]、溶液聚合法、乳化法等。成盐法是将聚合物中的羟基或氨基分别用适当的碱或酸中和，使聚合物水性化的方法；溶液聚合法是指将单体溶解在水中形成稀溶液，在引入交联剂和引发剂的情况下，进行聚合反应；乳化法REF_Ref10487\r\h[5]就是将两种或多种不相溶的液体，通过乳化剂的作用，形成一种相对稳定的乳液。根据乳化体的类型，可以分为水包油法和油包水法，水包油法是外相为水，内相为油，油包水法是外相为油，内相为水。水性醇酸涂层的制备过程中树脂的改性是提高涂层性能的关键，可通过物理填充改性和化学交联改性等方法来改善树脂的性能。1.2.2涂料的制备将水性醇酸树脂添加适当的中和剂和适量的水，使其转变为弱碱性，对树脂进行稀释，得到树脂液，然后将树脂液与分散剂、助剂、填料等混合，在分散机中搅拌，得到均匀、细腻的涂料。同时，在制备过程中，要注意控制材料的添加顺序和添加用量，以确保后续测试的涂层性能稳定REF_Ref10519\r\h[6]。1.2.3基材的处理、喷涂与固化用砂纸清除基材（马口铁）表面的污渍、灰尘等污物，保证基材表面的洁净和干燥，将基材表面打磨平整后，用高压无气喷枪（如REF_Ref8802\h图2）与基层表面保持适当距离将涂料均匀喷到基材上，使用前必须将涂料搅匀，喷涂后的漆膜在常温下自然干燥或低温烘干，固化后，对图层进行检查，确保其表面平整，无裂纹，无气泡。图SEQ图\*ARABIC2高压无气喷枪Fig.SEQFig.\*ARABIC2Highpressureairlessspraygun1.3水性醇酸涂层的特点及其应用水性醇酸树脂是一种重要的聚酯树脂，以酸酐和醇为主要原料，经过聚合反应制得的新型水性树脂。其主要特点如下：①环保性：对环境污染小，有效降低了挥发性有机物（VOC）REF_Ref10552\r\h[7]，符合当前我国对环保型涂料的需求。②兼容性：水性醇酸树脂可以与其他水性树脂、有机溶剂以及各种添加剂混合使用。③物理性能：水性醇酸树脂具有良好的耐候性、光泽度，柔韧性好，附着力强。④固含量：水性醇酸树脂的固含量通常达到50%以上，其涂膜性能稳定，流平性和耐久性良好。⑤尽管水性醇酸树脂具有很多优点，但是水性醇酸树脂也存在一定缺陷，其酯键容易在水中发生水解导致断链，使产品性能下降，严重时可能发生树脂分层，无法使用。水性醇酸防腐涂料作为一种环保、高效的涂料，其性能良好，应用价值广泛REF_Ref10604\r\h[8]。在建筑装饰领域，由于良好的保色性和丰富的颜色、质感，可用于建筑外墙装饰（如REF_Ref9438\h图3），其优异的耐候性和耐久性，使涂层在户外环境下，能长期保持良好的性能和外观REF_Ref10634\r\h[9]；在工业领域，由于其优异的耐化学性能和耐候性，可以形成致密的保护层，能够有效抵御化学物质（如酸、碱等）的侵蚀；此外，水性醇酸涂料符合现代建筑装饰对环保和节能的要求；在交通运输及设备维护方面，水性醇酸防腐涂层发挥着重要的作用，例如在船舶领域REF_Ref10660\r\h[10]，水性醇酸改性涂料常被使用于水线以上船壳部位（如REF_Ref9438\h图3），能够有效地抵御海洋环境的恶劣侵蚀，（SEQ图2-\*alphabetica）（SEQ图2-\*alphabeticb）（SEQ图2-\*alphabeticc）图SEQ图\*ARABIC3水性防腐涂料的应用。（SEQ图2-\*alphabetica）立式储油罐，（SEQ图2-\*alphabeticb）水性墙面涂料，（SEQ图2-\*alphabeticc）水性船舶涂料Fig.SEQFig.\*ARABIC3Applicationofwater-basedanti-corrosioncoatings.（SEQ图2-\*alphabetica）Verticaloilstoragetank,（SEQ图2-\*alphabeticb）water-basedwallcoating,（SEQ图2-\*alphabeticc）water-basedshipcoating保证船舶的安稳运行。综上所述，由于水性醇酸涂料优异的防腐和环保性能，被广泛应用于各个领域，随着环保意识的提高和涂料技术的发展，水性醇酸防腐涂料的市场前景将更加广阔，为各个领域的防腐保护提供更加高效、环保的解决方案。2实验部分2.1实验材料与仪器2.1.1实验材料实验材料如REF_Ref8442\h表1所示：表SEQ表\*ARABIC1实验材料Tab.SEQTab.\*ARABIC1Experimentalmaterials名称纯度厂家DMEA99.9%济南奥兴化工有限公司润滑剂56599%山东潍坊润丰化工股份有限公司润滑剂56699%东莞市佳博润滑油有限公司消泡剂61199%南通永乐化工有限公司润滑剂61099%上海科拉曼试剂有限公司防沉剂61599%佛山鸿昶新材料有限公司增稠剂99%佛山鸿昶新材料有限公司钛白粉92%济南裕兴化工有限责任公司硫酸钡98%山东淄博博山科普森新材料有限公司乳液（3411-31）98%陕西格列弗生物科技研究有限责任公司马口铁99.85%上海宝徐金属材料有限公司2.1.2实验仪器实验仪器如REF_Ref8518\h表2所示：表SEQ表\*ARABIC2实验仪器Tab.SEQTab.\*ARABIC2Experimentalinstruments仪器名称型号厂家实验室分散机FS-1100安徽华派化工设备有限公司冷冻干燥机LD10北京博医康实验仪器管式炉HTF-1200上海翰军实验设备有限公司电化学工作站CHI660E上海辰华仪器玛瑙研钵口径40mm天津恒创利达分析天平FA1104上海舜宇恒平科学仪器光泽度仪NHG268深圳市三恩时科技有限公司附着力划格器测试仪QFH-HG600东莞市华国精密仪器有限公司玻碳电极内径4mm上海仙仁仪器有限公司离心机DD-5000四川蜀科仪器数控超声波清洗器KQ-500DE杭州微米派2.2实验步骤2.2.1涂料的制备水性醇酸涂料的制备过程如下：（1）将水性醇酸树脂加入分散机中，在搅拌状态下加入3g中和剂DMEA和150水，在1000r/min下搅拌10min。（2）边搅拌边依次加入4g润滑剂565，4g润滑剂566、2g消泡剂611、5g润滑剂610，7.5g防沉剂615，在1000r/min下搅拌10min。（3）加入150g钛白粉，边搅拌边加入，在1600r/min下搅拌30min。（4）加入50g磷铁粉和50g硫酸钡，在1900r/min下搅拌60min，形成均匀的浆料。（5）上述步骤完成后，将打好的浆料用200滤布过滤到1吨拉缸中。（6）将过滤好的浆料取出212.75g，加入2.5g水，187.5g1%CS基料，93.75g乳液（3411-31），在1100r/min下搅拌30min。（7）边搅拌边加入4g闪锈剂，在1100r/min下搅拌10min。（8）边搅拌边加入5g增稠剂，在1300r/min下搅拌30min，使其均匀混合。（9）对涂料进行过滤，出去可能存在的杂质和未分散的颗粒，得到均匀、细腻的水性醇酸树脂防腐涂料。（10）重复进行三组实验，其他两组实验只改变填料，第一次实验时填料加入50g磷铁粉，第二次实验填料加入50g碳化硅，第三次实验填料加入50g石英粉，其他组分用量及操作过程不变，制备的三组样品如REF_Ref9879\h图4所示。图SEQ图\*ARABIC4从左到右以此为填料为石英粉、磷铁粉、碳化硅所制备的涂料Fig.SEQFig.\*ARABIC4Coatingspreparedwithquartzpowder,phosphorusironpowder,andsiliconcarbideasfillersfromlefttoright2.2.2漆膜试样的制备漆膜试样的制备过程如下：（1）基底的处理：首先，对马口铁表面进行清洁（如杂质、油污等），以便涂料能够均匀地附着在铁片表面；然后，将马口铁表面使用砂纸将其打磨平整，直至表面光亮；最后，打磨完成后，清除马口铁片表面的金属碎屑和灰尘，确保马口铁表面干净无杂质。（2）涂料的喷涂：在适宜的环境条件下，用高压无气喷枪将涂料均匀喷至打磨好的马口铁上REF_Ref10715\r\h[11]，要注意控制喷涂的距离。将喷涂完成的马口铁置于室温潮湿的环境下自然阴干24小时，阴干完成后，在将马口铁放置在50摄氏度的烘箱中烘干30小时以上，使其完全固化得到涂层样品。2.2.4性能测试（1）酸碱度：将填料不同的三组涂层样品分别完全浸入到相同浓度的酸性溶液和碱性溶液中，记录浸泡时间，在酸中浸泡5min后和在碱中浸泡18h后，观察实验现象，待浸泡结束后，取出样品，观察涂层的颜色变化、形态变化及腐蚀情况REF_Ref10748\r\h[12]。（2）光泽度：将三组样品依次放置在光泽度仪的测量平台上，调整光泽度仪的测量角度（本实验测试角度分别为20°、60°、85°），调整好测量角度后，按下测量按钮，测出光泽度值，重复多次实验，记录实验结果。（3）附着力：使用锋利的划格刀在每组马口铁表面的涂层上划出十字形的划痕，然后用压敏胶带粘在划痕上，将胶带与划痕表面压实，确保胶带与涂层表面紧密贴合，快速且垂直地撕离胶带，看涂层上方涂料是否有脱落，以此来评估涂层在划痕处的附着力REF_Ref10781\r\h[13]，并根据划格法国家标准（GB/T9286）来判定附着力等级。（4）电化学腐蚀性能测试：采用电化学工作站，将样品浸泡在盐水电解质中，浸泡一段时间，设置测量时间等参数，测试开路电位；设置交流幅值和频率范围，得到电化学阻抗谱图；设置扫描起始电位，终止电位，扫描速度等，记录极化曲线REF_Ref10813\r\h[14]，以此来分析涂层和金属基材的耐腐蚀性能。2.3实验结果与讨论2.3.1酸碱度将含有不同填料的三组涂层样品分别放在相同浓度的酸性溶液中浸泡5min，涂层未出现变色，表面有轻微气泡产生（如REF_Ref9922\h图5），随浸泡时间的延长，涂层气泡增多，表面发生轻微变色，通过比较，填料为磷铁粉的涂层表面气泡相对较少，腐蚀程度较轻，耐酸性较好，填料为石英粉的涂层耐酸性适中，填料为碳化硅的涂层气泡相对较多，耐酸性较弱。图SEQ图\*ARABIC5涂层在酸中浸泡5min后的效果图，从左到右涂层种中的填料依次为碳化硅，石英粉，磷铁粉Fig.SEQFig.\*ARABIC5Theeffectdiagramofthecoatingaftersoakinginacidfor5minutes,fromlefttoright,showsthatthefillersinthecoatingaresiliconcarbide,quartzpowder,andphosphorusironpowderinthatorder将三组涂层样品分别放在相同浓度的碱性溶液中浸泡18h，涂层在碱中的相对腐蚀较慢，涂层表面有轻微气泡产生（如REF_Ref9958\h图6），并伴随细微裂痕，随浸泡时间增加，气泡增多，出现变色，裂痕明显，通过比较，填料为石英粉的涂层表面气泡相对较少，腐蚀程度较轻，耐碱性较好，填料为碳化硅的涂层耐碱性适中，填料为磷铁粉的涂层气泡较多，裂痕明显，耐碱性较好。图SEQ图\*ARABIC6涂层在碱中浸泡18h后的效果图，从左到右涂层种中的填料依次为碳化硅，石英粉，磷铁粉Fig.SEQFig.\*ARABIC6Theeffectdiagramofthecoatingaftersoakinginalkalifor18hours,fromlefttoright,showsthatthefillersinthecoatingaresiliconcarbide,quartzpowder,andphosphorusironpowderinthatorder2.3.2光泽度用光泽度仪对三组填料不同的涂层分别进行测试角度为20°、60°、85°的光泽度测试后，结果如REF_Ref8567\h表3所示，涂层在三个角度下变化规律一致，以60°为例，84.9°＞75.2°＞71.2°，比较得知，填料为磷铁粉的涂层光泽度较大，能够有效的反射光线，涂层表面更平滑，结构更致密，腐蚀速率较慢，耐腐蚀性能较好，填料为碳化硅的涂层光泽度居中，填料为石英粉的涂层光泽度较小，耐腐蚀性能较差。表SEQ表\*ARABIC3涂层光泽度的测试结果Tab.SEQTab.\*ARABIC3Testresultsofcoatingglossiness测试角度光泽度填料20°60°85°碳化硅31.975.277.8石英粉31.771.250.3磷铁粉49.384.983.32.3.3附着力用划格刀在填料为磷铁粉的马口铁表面的涂层上划出十字形的划痕后，快速且垂直地撕离胶带后，切割边缘完全平滑，无一格脱离（如REF_Ref10010\h图7），根据划格法国家标准（GB/T9286），可判定为0级，附着力较好。相同步骤进行其他两组实验，改变填料后，填料为石英粉和填料为碳化硅的涂层切割边缘用胶带快速且垂直地撕离后，无一格脱落（如图7），判定为0级，附着力较好。图SEQ图\*ARABIC7涂层的附着力测试结果图，从左到右涂层中的填料依次为碳化硅，石英粉，磷铁粉Fig.SEQFig.\*ARABIC7Theadhesiontestresultsofthecoatingshowthatthefillersinthecoatingfromlefttorightaresiliconcarbide,quartzpowder,andphosphorusironpowder,respectively2.3.4电化学腐蚀性能测试将设备开机后进行开路电位测试，设置Tafel区范围后，观察曲线变化，三组实验完成后，绘制的极化曲线如REF_Ref10033\h图8所示，涂层的电流密度越小，电压越正，表明涂层发生腐蚀的速率相对较慢，耐腐蚀性能越好。经过比较，填料为石英粉的水性醇酸防腐涂层的金属试片相较于其他两种填料涂层，腐蚀电流密度显著降低，有效减缓了金属的腐蚀速率，耐腐蚀性能越好REF_Ref10856\r\h[15]。综上所述，填料为石英粉的水性醇酸防腐涂层在盐水电解质中表现出良好的防腐性能最佳。图SEQ图\*ARABIC8涂层在盐水电解质中的Tafel极化曲线Fig.SEQFig.\*ARABIC8Tafelpolarizationcurveofcoatinginsaltwaterelectrolyte由REF_Ref10108\h图9（a-b）涂层的Bode图比较可知REF_Ref10901\r\h[16]，填料为石英粉的涂层的阻抗值比填料为磷铁粉和碳化硅的阻抗值大，耐腐蚀性能好。由REF_Ref10108\h图9（c）可知，随盐雾时间增加，涂层容抗弧的半径减小，防腐性能在逐渐减弱，说明涂层受到了腐蚀介质的破坏。在相同时间下，填料为石英粉的涂层阻抗曲率半径较大，制成的漆膜阻抗较大，腐蚀电位较高，防腐性能较好；填料我为碳化硅的涂层的阻抗曲率半径最小，漆膜致密性相对较差，阻抗小、腐蚀速率较快，耐腐蚀性能较差。（SEQ（）\*alphabetica）（SEQ（）\*alphabeticb）（SEQ（）\*alphabeticc）图SEQ图\*ARABIC9添加不同填料后水性醇酸涂层的Nyquist曲线。（SEQ（）\*alphabetica-SEQ（）\*alphabeticb）Bode图，（SEQ（）\*alphabeticc）Nyquist图Fig.SEQFig.\*ARABIC9Nyquistcurvesofwaterbornealkydcoatingswithdifferentfillersadded.（SEQ（）\*alphabetica-SEQ（）\*alphabeticb）Bodeplot,（SEQ（）\*alphabeticc）Nyquistplot3结论与展望3.1结论本论文通过一系列实验，详细讨论了水性醇酸涂层的制备过程，并对加入不同填料后涂层的性能测试进行了深入的比较和评估。在实验过程中，我们对涂层的酸碱度，光泽度，附着力，防腐性能进行了表征。实验结果表明，不同填料制成的涂料对涂层的性能具有不同的影响。石英粉作为无机惰性填料，硬度高，对碱的耐腐蚀性能好，化学性质稳定，耐电化学腐蚀性能好，有望在恶劣的气候条件下（雨水或海水侵蚀）保持涂层的稳定性和持久性。磷铁粉可以提高漆膜的附着力，使涂层更加光滑，均匀，这可能是由于涂层的磷铁粉能够与金属基材反应，形成致密的保护层，将金属基材与腐蚀性介质（如空气，水等）进行有效的隔离，起到保护作用。以碳化硅作为填料制备的涂层，其具有良好的附着力。3.2展望展望未来，水性醇酸涂层在防腐领域的应用将前景广阔。随着技术的创新和市场需求的增加，高性能、低污染